應用案例

Picarro L2120-i/L2140-i（德國河流穩(wěn)定同位素觀測網(wǎng)絡(luò)狀況）

發(fā)表時間：2024-04-17

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引言

河水穩(wěn)定同位素(2H, 1?O)組成主要由降水、冰雪融化和徑流成分(如地表流量、地下流量和地下水)的輸入組成決定。根據(jù)當?shù)睾蛥^(qū)域因素，來自湖泊或地表水結(jié)構(gòu)(水壩、灌溉、渠道等)的影響可能會通過蒸發(fā)等方式改變穩(wěn)定的同位素模式。補給高度、補給時間(季節(jié))、支流的輸運特征以及輸運過程中的影響過程(如蒸發(fā)損失和混合)都對較大盆地出口的穩(wěn)定同位素模式產(chǎn)生影響。在低流量條件下，河水含有較大比例的地下水，并可能反映相對緩慢流動的水的同位素信號。除水文和水化學信息外，在河流站或流域出口收集的同位素信號還集成了水文過程和上游條件的現(xiàn)場特征信息，提供了河流水演變的重要信息，是水管理決策所必需的。

自20世紀60年代初以來，IAEA/WMO全球降水同位素網(wǎng)絡(luò)(GNIP)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)提供了降水同位素數(shù)據(jù)集。國際原子能機構(gòu)于21世紀初啟動了全球河流同位素網(wǎng)絡(luò)(GNIR)。奧地利、美國和瑞士等國家建立了國家網(wǎng)絡(luò)，并報告了同位素數(shù)據(jù)。

在德國，河流中氚的監(jiān)測始于20世紀70年代初，由聯(lián)邦水文研究所(BfG)進行的連續(xù)河水監(jiān)測最初是為了監(jiān)測河水、懸浮物質(zhì)和沉積物中的環(huán)境放射性，但今天這些監(jiān)測站也監(jiān)測穩(wěn)定同位素。目前，這個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由50個監(jiān)測站組成，截至2021年底的穩(wěn)定同位素時間序列至少為4年，有些站長達30年。近期德國的許多其他收集和分析穩(wěn)定同位素數(shù)據(jù)的研究機構(gòu)發(fā)起了一項倡議，旨在將所有不同的同位素實驗室連接到德國同位素網(wǎng)絡(luò)(GIN)，以便能夠連續(xù)監(jiān)測降水、河流和地下水中的氚和穩(wěn)定同位素。

德國主要河流流域和GIN河站概況

德國最大的河流是萊茵河、多瑙河、易北河、奧德拉河、威澤河和埃姆斯河。萊茵河、易北河、威澤河和埃姆斯河流入北海，奧德拉河流入波羅的海，多瑙河流入黑海。所有河流的流量狀況、集水區(qū)大小、集水區(qū)高度和河流長度各不相同。除降水輸入外，所有這些參數(shù)都間接影響在河水中觀測到的穩(wěn)定同位素模式。

降水監(jiān)測站的位置(圓圈，顏色代碼表示負責機構(gòu))，在德國同位素網(wǎng)絡(luò)(GIN)和Koblenz-Andernach氣象站和波茨坦氣象站內(nèi)，對河水(藍色三角形)連續(xù)采樣和分析同位素(2H, 3H, 1?O)。

不得不提的是，許多運河連接著德國北部和南部的河流流域。盡管運河與河水直接交換，但根據(jù)經(jīng)驗，運河對河流同位素模式的影響是次要的，因為運河由水門隔開，通常也由混凝土與地下水隔開。沿海站W(wǎng)ilhelmshaven, Helgoland, T?ouml;nning, Travermüuml;nde(所有北海海岸)和Holtenau(波羅的海)也在GIN內(nèi)進行監(jiān)測。所有這些臺站，包括Weser盆地出口處的Blexen臺站和易北河出口處的Wedel臺站都受到海水的影響，尤其是北海臺站受到海岸潮汐的影響。

德國同位素網(wǎng)絡(luò)(GIN)部分河流水采樣站的流域、采樣地點、WMO代碼和坐標，以及近似值流域面積(A)、平均流域高度(E)、河流長度(L)、平均流量(MQ)和采樣周期(T)、分析的樣品數(shù)量(N)，河流水線(RWL)穩(wěn)定同位素均值，具有標準差和回歸參數(shù)。

測試方法

使用自動采樣器(SP III-XY-36)收集混合每日子樣品，每個子樣品30分鐘/50毫升裝在一個瓶子中。每日樣本隨后在BfG的實驗室累積成每月樣本，并運送到不同的實驗室進行穩(wěn)定同位素測量。自2012年以來，在聯(lián)邦地球科學和自然資源研究所BGR,使用 Picarro L2120-i或L2140-i高精度水同位素分析儀測試樣品。

長期δ2H月平均值(上方a圖集)和計算出的D盈余值(下方b圖集)

相關(guān)結(jié)論

在2018年10月至2019年1月底的異常旱季期間，從萊茵河的6個選定站和易北河流域的5個站收集每日河水樣本。河水中最主要的穩(wěn)定同位素效應是季節(jié)效應和海拔效應，但也可見大陸效應。同位素顯示了萊茵河和多瑙河夏季冰雪融化的影響，以及這些信號因與支流河流混合而不斷稀釋。在靠近德國北部海岸的地方，穩(wěn)定的同位素模式反映了海水和潮汐的影響。

(a) δ2H vs. δ1?O的長期平均值和變異性(以標準偏差給出); (b) δ1?O值與流域平均高程的關(guān)系; (c) D-盈余與德國大河δ1?O值的關(guān)系。

由于全球倡議計劃主要依靠國家網(wǎng)絡(luò)的支持，作者認為由國家或區(qū)域資助和建立的網(wǎng)絡(luò)可以通過提供長期穩(wěn)定的同位素數(shù)據(jù)來增強我們對環(huán)境的了解。敦促通過比較分析性能和共同收集和提供這些重要的測量數(shù)據(jù)，積極地將所有感興趣的同位素實驗室連接到網(wǎng)絡(luò)中。這將提高分析性能并在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共享樣本數(shù)據(jù)信息，但最重要的是確保在最具代表性的空間分辨率上進行連續(xù)觀測。

論文連接

https://doi.org/10.1080/10256016.2022.2127702

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高春輝高級應用工程師 gaoch@cen-sun.com